[МУЗЫКА]

[МУЗЫКА] Вопрос о том,

как мигрирующие животные находят дорогу во время своих сезонных перемещений,

а часто даже на тысячи километров, он давно интересует людей.

Стаи перелетных птиц, лосось,

идущий на нерест в свою реку, как они находят дорогу?

Более того, в нужное место, не похожее,

а в строго определенное — в место рождения или предыдущего размножения.

И, получается, что они должны иметь механизм и для определения направления,

и для выбора и поддержания этого определенного компасного направления.

Имеются данные, что логгерхеды — морские черепахи, распространены в умеренных и

субтропических районах Индийского, Тихого, Атлантического океанов, они,

возможно, используют для ориентировки геомагнитное поле.

Потому что изменения в геомагнитном поле время от времени происходят, и магнитные

метки смещаются, тогда изменяется и расположение кладок у них на побережье.

Подобные механизмы могут лежать в основе поведения лососевых рыб и других животных,

но наибольшее количество исследований, пожалуй, проведено именно на птицах.

Показано, что разные птицы по-разному ориентируются в пути.

Некоторые используют для ориентировки хорошо различимые с воздуха крупные

постоянные ориентиры — горные цепи, речные долины.

Есть птицы, которые ориентируются по солнцу; есть,

которые совершают перелеты в ночное время и ориентируются по звездам; а некоторые

птицы могут ориентироваться и при облачной погоде, когда нет ни солнца, ни звезд.

А поведение птиц в районах магнитных аномалий указывает на возможность

использования магнитного поля Земли как источника навигационной информации.

Изучение поведения животных показало, что не только птицы — многие животные

обладают способностью ощущать магнитные поля: дрозофилы и пчелы,

акулы и скаты, морские черепахи,

нерки и тунцы — механизм восприятия ими магнитного поля далеко не изучен.

И хотя магниторецепция изучается уже очень много лет,

вопросов пока еще все равно больше, чем ответов.

Но доказательство способности чувствовать магнитное поле существует только для

микроорганизмов.

Бактерии, обладающие магнитотаксисом, были открыты в 70-х годах.

Это обладающие жгутиками, часто спиралевидной формы,

клетки, у которых присутствуют магнетосомы — это гранулы из кристаллов магнетита,

равномерно намагниченные по всему объему.

Они невелики и обычно располагаются цепочкой в 15–20 штук.

Магнитные взаимодействия между кристаллами магнетосом ориентируют их дипольные

моменты параллельно длинной оси цепи.

И в результате дипольный момент всей бактериальной клетки становится

достаточным, чтобы преодолеть броуновское движение,

которое, вообще, мешает направленному движению клетки в воде,

и дает возможность бактерии плыть вдоль магнитных линий.

На магнитной поверхности эти бактерии за несколько секунд скапливаются около

полюсов.

Предположительно, что в природе такое поведение упрощает поиск подходящей среды

обитания и повышает шансы на выживание.

Частицы магнетита также обнаружены в некоторых эукариотических

магнитотактических водорослях,

клетки которых содержат несколько тысяч кристаллов.

Но многочисленные исследования магниторецепции у многоклеточных

пока не выявили ничего похожего на магнетосомы бактерий.

Лучше всего, хотя еще недостаточно, конечно, и со многими открытыми вопросами,

опять же, изучены способности к навигации и ориентации у птиц.

Кристаллы магнетита обнаружены у многих из них в районе надклювья,

хотя есть данные, которые указывают на существование другой, принципиально другой

магниторецепторной системы, которая расположена в сетчатке глаза.

Давайте рассмотрим каждую немножечко подробнее.

В конце XX — начале XXI века была выдвинута гипотеза о том,

что птицы могут использовать в качестве магниторецепторов светочувствительные

молекулы белков-криптохромов.

Они расположены в сетчатке глаза.

Вообще, криптохромы — это очень большое семейство белков.

Они обнаружены у растений, где играют довольно важную роль в фототропизмах,

обнаружены у беспозвоночных, у позвоночных.

Для животных эти белки важны для генерации и поддержания циркадных ритмов.

Криптохромы по своей структуре очень близки к фотолиазе,

фермент у которой осуществляет восстановление молекулы

ДНК после повреждений, и эти восстановления тоже индуцируются светом.

Они точно так же содержат птерин и флавин в качестве таких хромофоров — кофакторов,

и они чувствительны к сине-фиолетовой части спектра.

Ключевой участок в криптохроме — это три остатка аминокислоты триптофана

поблизости от флавина, это очень консервативный участок.

Поглощается синий свет, активируется птерин,

затем энергия передается на флавин,

и осуществляется такое перераспределение зарядов уже между флавином и триптофанами.

Формируется пара компонентов,

каждый из которых обладает неспаренным электроном — радикальная пара.

Она живет очень мало — несколько миллисекунд,

но пока устойчива — радикальная пара чувствительна к магнитному полю.

Дальше она или рекомбинирует,

либо распадется на более энергетически устойчивые продукты реакции,

но доля разных продуктов такой бирадикальной реакции меняется как раз

в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля.

Предполагается, что разные продукты бирадикальной реакции через каскад реакций

могут по-разному модулировать чувствительность фоторецепторов.

И в результате в разных частях сетчатки чувствительность фоторецепторов будет

разная в зависимости от их ориентации — вот этой клетки с криптохромом — по

отношению к вектору магнитного поля: где-то максимальной, где-то — минимальной.

И в результате птица может воспринимать магнитное поле в качестве зрительного

образа, например, затемненное или беловато-прозрачное пятно,

наложенное на обычную зрительную картину мира.

Но, вообще, это очень сложный вопрос — как животное может отделить визуальную и

магнитную информацию, если она поступает через одни и те же фоторецепторы.

Гипотезу детекции птицами магнитного поля Земли посредством криптохрома пока еще

нельзя считать окончательно доказанной, но есть целый ряд ее косвенных подтверждений.

Криптохромы у птиц есть,

время жизни радикальной пары достаточно для восприятия эффекта магнитного поля,

магнитный компас может действовать через бирадикальные реакции,

и спектр поглощения криптохромов совпадает с той частью видимого спектра,

где птица способна демонстрировать именно магнитную компасную ориентацию.

Кроме того, показано наличие специализированной области в головном

мозге птиц, и существует разумное объяснение особенностей

работы магнитного компаса у птиц.

Дело в том, что птицы не отличают магнитный север от магнитного юга,

а лишь различают направление,

ведущее к магнитному полюсу или к магнитному экватору.

А компас, который основывался бы на магнитных соединениях железа,

должен был быть полярным.

Что касается второй системы, изначально исследованной первой,

— магнетит в надклювьях, то вот недавно было показано, к сожалению,

что содержащие магнетит клетки — это железосодержащие макрофаги,

это не нейроны, они не работают как рецепторы магнитного поля.

Но, с другой стороны, есть убедительные доказательства существования другой —

некриптохромной магнитосенсорной системы.

Поведенческие эксперименты показывают, что некоторая магнитная информация передается

из надклювья по глазному нерву в центральную нервную систему.

И этот глазной нерв передает информацию именно об изменениях параметров

магнитного поля.

Потому что стимуляция меняющимся магнитным полем приводит у некоторых птиц к

повышенному синтезу белков — маркеров нейронной активности,

причем в тех ядрах, которые получают информацию именно по этому нерву.

В существовании двух систем у птиц сомнений уже не осталось.

Другое дело,

что вопрос о природе и о локализации неизвестных пока магниторецепторов,

иннервирующихся глазной ветвью тройничного нерва, он остается открытым.

Но есть очень любопытные данные по другим животным.

Нематода Caenorhabditis elegans, у нее обнаружена чувствительность к действию

магнитного поля, и установлена структура,

которая отвечает за изменение поведения при флуктуакциях магнитного поля.

Этот датчик описывают, как телеантенну микромасштаба,

и он расположен на дендрите конкретного нейрона.

Было известно, что этот нейрон отвечает за измерение уровня

углекислого газа и температуры, а вот теперь установлено,

что он активируется еще и под действием магнитного поля.

В клетках обонятельного эпителия радужной форели обнаружены внутриклеточные

кристаллы магнетита, которые прочно соединены с клеточной мембраной.

И вот такая конструкция позволяет напрямую передавать механические изменения,

возникающие из-за магнитных воздействий.

Вот эти клетки у форели отвечают физическим требованиям к

магниторецепторам.

Они способны быстро среагировать на небольшие изменения внешнего

магнитного поля.

И, предположительно,

в носовом эпителии одной рыбы содержится до 100 подобных клеток.

И вот, наконец,

совсем уже интригующие результаты получены китайскими исследователями на дрозофиле.

Был известен белок, который участвует в регуляции биоритмов в организме мушек.

Этот белок содержит атомы железа, атомы серы.

Этот белок образует комплекс с криптохромом.

И комплекс проявляет активность в магнитных полях, в том числе в поле Земли.

Вот такого рода комплекс — он может служить основой магниторецепции у разных

животных, по крайней мере аналогичный белковый комплекс идентифицирован еще у

голубей и у бабочек-монархов.

Возможно, что такого рода белки действуют одинаковым образом в организмах всех

животных, хотя точный механизм работы все равно еще неизвестен.

И напоследок еще один интересный факт.

В сетчатке многих млекопитающих, в сине-чувствительных колбочках,

обнаружен криптохром-1, тот, который аналогичен криптохрому птиц,

участвующему в магниторецепции.

Он обнаружен у орангутанов, у многих псовых, у человека.

И функцией этого белка предполагается именно восприятие магнитных полей Земли.

И в опытах на дрозофиле было показано, что человеческий криптохром

позволяет мушкам ощущать магнитное поле так же, как их собственный криптохром.

Получается, что принципиальная возможность магниторецепции у ряда млекопитающих,

в том числе и у человека, она есть.

Но наша чувствительность к магнитному полю все равно остается под вопросом.

[БЕЗ_ЗВУКА]

7.5. Магниторецепция

Биосенсоры

与讲师见面